Modelo de suspensión de vehículo monoplaza mediante ADAMS/CAR. Propuesta de mejoras.

136 Pages·2017·3.25 MB·Spanish

by  Daniel De Castro

Modelo de suspensión de vehículo monoplaza
mediante ADAMS/CAR. Propuesta de mejoras.

DANIEL DE CASTRO GRAZIANO 13491
JULIO 2017

TRABAJO DE FIN DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE GRADUADO EN
INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

AGRADECIMIENTOS

A todos aquellos que me han
apoyado durante estos cuatro
largos años.

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Modelo de suspensión de vehículo monoplaza mediante ADAMS/CAR.
Propuesta de mejoras.

RESUMEN

El Trabajo de Fin de Grado tiene como misión el diseño y validación de una modificación que se
ha de introducir en el sistema de suspensión del eje trasero en el vehículo de Formula Student
de la Universidad Politécnica.
También se va a realizar una caracterización cinemática de la suspensión de dicho monoplaza
a partir de las medidas obtenidas con un escáner, para estudiar el comportamiento del vehículo
y conocer cuáles son los parámetros más deficitarios que se deben modificar.
Formula Student es una competición internacional de vehículos monoplaza entre las más
prestigiosas universidades de todo el mundo, que tiene como objetivo la puesta en práctica de
los conocimientos por parte de los alumnos de Grado y Master en Ingeniería, así como un
acercamiento a un entorno de trabajo más cercano al mundo laboral. En ella los alumnos son
los encargados de diseñar y fabricar un prototipo de un vehículo que será evaluado en
diferentes pruebas estáticas y dinámicas.
El desarrollo del trabajo ha sido orientado en función de las necesidades que presentaba el
equipo de UPM Racing dentro de la división de Suspensión. La modificación de la geometría de
la suspensión trasera era necesaria ya que se detectaron algunos problemas mecánicos y de
incumplimiento de normativa.
El problema principal a solucionar corresponde con la normativa de la competición, tras la toma
de las medidas generales del vehículo con una plomada se observó que la distancia entre ejes
(batalla) del vehículo se encontraba muy próxima al límite de la normativa (1527 mm de batalla
en el eje izquierdo por 1525 mm de batalla mínima).
Además, de detectaron una serie de problemas mecánicos asociados al ángulo al que está
sometido el palier. Con el recorrido de las ruedas a causa de la suspensión, el ángulo del palier
provoca desgastes anormales en las camisas de la mangueta y pueden provocar el fallo de
estas. Dicho problema es especialmente crítico en la parte izquierda, por la asimetría que
presenta el tren de tracción.

1. Vista posterior del monoplaza. Se indica el problema detectado en el palier izquierdo.
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Resumen

Para comprobar los problemas que presentaba la batalla se decidió contar con la ayuda de una
alumna de Topografía en prácticas. Se pudieron obtener las medidas reales de la suspensión
trasera y los puntos de anclaje de la suspensión delantera. Aprovechando otro escaneado de la
suspensión delantera de un vehículo anterior (con el mismo diseño de suspensión) se consiguió
obtener una medida de la batalla más precisa que la realizada con métodos convencionales.
Izquierda Derecha
Rueda delantera 2048,4 2056,5
Rueda trasera 517 525
Batalla (cota x) 1531,4 1531,5
2. Tabla con el cálculo de la batalla del vehículo.
Asumiendo que pueden existir errores en dichas longitudes, se determina la necesidad de
aumentar la batalla en 10 milímetros, de la manera más sencilla constructivamente, y que
modifique lo menos posible el comportamiento del monoplaza.
La solución adoptada en el eje trasero consiste en un desplazamiento de 10 mm en la dirección
x los centros de rueda. Con la rueda se desplazan 10 mm los puntos pertenecientes a la
mangueta. De igual manera se modifican todos los puntos de la suspensión correspondientes a
la placa trasera. Los únicos dos puntos no modificados son los correspondientes a los anclajes
delanteros de los trapecios al chasis.
Puntos de la suspensión modificados Puntos sin modificar
Anclaje de amortiguador a chasis Anclaje delantero del trapecio
Anclaje de balancín a Chasis superior a chasis
Anclaje de balancín a amortiguador Anclaje delantero del trapecio
Anclaje trasero del trapecio superior inferior a chasis
Anclaje trasero del trapecio inferior
Anclaje a chasis de la barra tierod
Unión de Actuadora a balancín
Centro de rueda
Unión de actuadora a mangueta
Unión del trapecio superior a mangueta
Unión del trapecio inferior a mangueta
Unión del tierod a mangueta.
3. Puntos involucrados en el diseño de la modificación en el eje trasero.
Para conseguir la modificación diseñada se deben fabricar de nuevo los trapecios superior e
inferior de ambas ruedas. También se tienen que añadir unos casquillos de 10 mm a las
uniones atornilladas entre la placa posterior y la estructura tubular del chasis, así como para la
placa soporte del motor. Además se debe modificar la longitud de la cadena de transmisión y
ajustar la tensión con una rueda excéntrica para evitar holguras.
Para la realización de los ensayos cinemáticos de la suspensión se parte de los datos
correspondientes a las medidas reales obtenidas mediante técnicas de escaneado 3D. Con
esos datos se realizará un modelo virtual de la suspensión delantera y trasera. El programa
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Modelo de suspensión de vehículo monoplaza mediante ADAMS/CAR.
Propuesta de mejoras.

empleado es ADAMS/CAR, un programa comercial usado en la industria del automóvil para el
ensayo de los diferentes sistemas mecánicos del vehículo.
El paso previo a la introducción de los datos en ADAMS/CAR es la modificación del sistema de
coordenadas, de manera que sea coherente con el usado por el programa. Una vez obtenidas
todas las cotas en dichos ejes se procede a la modelización de la suspensión delantera y
trasera del monoplaza, modificando los valores de los hardpoints.
Tras definir la geometría, se procede al estudio cinemático de la suspensión. Para ello se
realizan unos ensayos virtuales que simulan las condiciones más generales en las que trabaja
la suspensión, y se observa la evolución de los diferentes parámetros que más influyen en el
comportamiento general del vehículo.
Los ensayos programados son el recorrido paralelo de las ruedas, que simula las transferencias
de carga en situaciones de aceleración y frenadas, así como baches, y el desplazamiento
opuesto de las ruedas, que se asemeja al balanceo del vehículo en curva. Se va a estudiar el
desplazamiento de las ruedas que marca la normativa, que son 25,4 mm de expansión, y la
misma longitud de compresión.
Los parámetros más importantes a estudiar son la convergencia y el ángulo de caída en las
ruedas, que define la extensión de la huella de contacto y la dirección de las fuerzas en la
rueda, que es clave en cuanto a la adherencia y la estabilidad del vehículo.
También son importantes, especialmente en el eje delantero, los parámetros asociados al eje
del kingpin. Parámetros cómo el ángulo del kingpin, scrub radius, o el ángulo de avance marcan
la respuesta de la dirección en curva y el autoalineamiento en recta.
Otros parámetros asociados a la posición del centro de balanceo son importantes a la hora de
evaluar el comportamiento del vehículo. La altura del centro de balanceo impone el momento de
vuelco o la cantidad de efecto Jacking que presenta el monoplaza. También guarda relación
con el efecto Anti que presenta cada uno de sus ejes.
El eje delantero presenta valores en estático adecuados para el ángulo de caída. La
convergencia es más conveniente que presente valores negativos para facilitar el guiado del
monoplaza en curva. El problema más serio que se detecta es que ambos parámetros sufren un
cambio de signo en su recorrido, tanto en parallel como en opposite. Además el bump steer
(variación de la convergencia) es excesivo.
La solución más inmediata es aumentar los valores de caída en estático, y modificar el signo de
la convergencia, dandole un valor en estático suficiente como para que se alcance el cambio de
signo de los parámetros. En cuanto al bump steer, para minimizarlo se debe realizar una
modificación de la geometría de los brazos de tal manera que la proyección del trapecio
superior, inferior y la barra de la dirección se corten en el mismo punto.
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Resumen

CAÍDA (CAMBER) CONVERGENCIA (TOE)
Grados grados
0,5 2,5
0 2 Izquierda
-30 -1-00,5 10 30 mm 1,5 Derecha
-1 Izquierda 1
-1,5 Derecha 0,5
-2 0
-2,5 -30 -1-00,5 10 30 mm

4. Ángulo de caída y convergencia para la suspensión delantera.
El otro punto débil detectado en la suspensión delantera es que, debido a la asimetría motivada
por los errores en la fabricación, la posición del centro de balanceo del vehículo no se
encuentra centrada, lo que induce a un balanceo desigual y excesivo en una de las direcciones.
Para centrar la posición del centro de balanceo se debe realizar una revisión de las
dimensiones de los elementos de la suspensión y ajustar los reglajes de manera que se
obtenga una geometría lo más simétrica posible.
POSICIÓN DEL C. B.
Z (mm)
150
100
50
0
-200 0 200 400Y (mm)
5. Posición del Centro de Balanceo del eje delantero.
Los demás parámetros analizados en la suspensión delantera no presentan excesivos
problemas más allá de una cierta asimetría que provoca que el comportamiento del vehículo
sea menos predecible.
En el análisis de la suspensión trasera se detecta un cambio de signo en la convergencia, en
función del sentido de desplazamiento de las ruedas, motivado por su valor nulo en estático y el
excesivo bump steer que presenta. Dicho comportamiento introduce cierta inestabilidad al
vehículo en el paso por curva.
Las ruedas traseras se deben configurar de tal manera que tengan una marcada convergencia
positiva, para evitar los cambios de signo, que mejora la transmisión de esfuerzos de tracción.
El ángulo de inclinación del kingpin, junto con el scrub radius son otros parámetros deficitarios
observados en el eje trasero. El excesivo ángulo del kingpin motiva el signo cambiado que
presenta el scrub radius en la rueda izquierda. Los esfuerzos adicionales que inducen estos
valores anormales sobre los componentes de la mangueta puede ser otra de las causas por las
cuales se produce un desgaste excesivo en la camisa de dicha rueda.
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Modelo de suspensión de vehículo monoplaza mediante ADAMS/CAR.
Propuesta de mejoras.

De igual manera que en el eje delantero, la posición del centro de balanceo no se encuentra
centrada con respecto al plano medio del vehículo.
ÁNGULO DEL KINGPIN SCRUB RADIUS
15 grados 40 mm

10
Izquierda 20
Izquierda
5 Derecha Derecha
0
0
-40 -20 0 20 40
-40 -20 0 20 40mm -20 mm

6. Ángulo de inclinación del kingpin y scrub radius para la suspensión trasera.
La geometría de la suspensión trasera debe ser modificada para dotar al eje de mayor simetría,
que favorece la estabilidad del vehículo y permite predecir mejor el comportamiento del
monoplaza por parte de los pilotos.
Finalmente se realizan una serie de ensayos cinemáticos de la geometría de la modificación de
la suspensión trasera, para cuantificar la variación del comportamiento que sufre el vehículo con
la nueva configuración, y de esta forma validar o no el diseño de los trapecios, para que sean
fabricados e instalados en el monoplaza.
Al ser una modificación sencilla en términos constructivos, no se modifican las cotas en estático
de la rueda. Si a esto le añadimos que la modificación introducida no supone grandes cambios
en los demás componentes de la suspensión se puede suponer que el comportamiento en los
ensayos no se verá alterado excesivamente.
Tras la realización de los ensayos se observa que no hay modificaciones apreciables en
ninguno de los parámetros principales, más allá de la batalla, que se pretende aumentar. Con
estos resultados se valida la modificación y se diseñan las longitudes de los nuevos trapecios
para que sean fabricados por el equipo de UPM Racing.
CAMBER ANCHO DE VÍA
0 grados 1120 mm
-40 -20 0 20 40mm 1115
-1 Izq real 1110
Vía Real
Dcha real 1105
Vía Mod
-2 Izq Mod 1100
Dcha mod 1095
-3 -40 -20 0 20 40mm
7. Comparación del ángulo de caída y ancho de vía entre la suspensión trasera original y modificada.
Palabras clave: Formula Student, Suspensión, Trapecio, Escaner 3D, ADAMS, Monoplaza,
Cinemática.
Código UNESCO: 331702 Automóviles.
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Resumen

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